AMC 10 · 2024 · #22

학년 10 geometry-2dnumber-theory
similar-trianglesisosceles-triangleangle-bisector-theorempolygon-inequality convert-to-algebraextreme-principlesystematic-enumeration ↑ 선수 지식: similar-trianglesangle-sum-triangledivisibility-rules
📏 긴 풀이 💡 4 개 인사이트
문제
어떤 삼각형의 세 변 길이가 모두 자연수이고 B의 각이 A의 각의 정확히 두 배입니다. 두 조건을 동시에 만족하는 삼각형 중에서 둘레가 가장 작은 값을 구하세요.

답을 골라 클릭하세요.

(A)
13
(B)
14
(C)
15
(D)
16
(E)
17
풀이 과정
전략 대수로 바꾸기

조건은 각에 걸려 있는데 최소화해야 할 값은 변에 걸려 있고, 정수를 뒤질 수 있는 곳은 변 쪽뿐이다. 그래서 도구 #13(대수로 바꾸기)이 목표를 정한다. ∠ B = 2∠ A를 a, b, c에 대한 정확한 등식으로 바꾸는 것이다. 도구 #1(그림 그리기)은 그 방법을 제공한다. '두 배'라는 말은 ∠ B를 반으로 잘라 그림 안에 ∠ A의 복사본을 하나 더 만들라는 지시이기 때문이다. 도구 #15(다르게 정리하기)는 그렇게 나온 그림을 서로 닮은 두 겹의 삼각형으로 읽어, 새로 생긴 선분의 길이를 모두 a, b, c로 값매김한다. 도구 #11(거꾸로 풀기)은 같은 그림을 반대 방향으로 돌려서, 변에 대한 등식이 각 조건의 결과일 뿐 아니라 각 조건과 동치임을 확인한다. 마지막으로 도구 #14(극단의 원리)가 둘레를 2b와 3b 사이에 가두어 b를 한 자리 수로 묶고, 도구 #2(빠짐없이 나열하기)가 남은 몇 개를 훑는다.

1STEP 1

마주 보는 각으로 변에 이름 붙이기

세 변에 a, b, c를 붙입니다.

a = BC, b = CA, c = AB, P = a+b+c
2STEP 2

각 B를 잘라 A의 복사본 만들기

이등분하면 이등변삼각형이 생깁니다.

∠ ABD = ∠ DBC = (∠ B)/2 = ∠ A ⟹ AD = BD
3STEP 3

안쪽에 숨은 축소판 찾기

작은 삼각형이 원래와 닮음입니다.

△ BDC ∼ △ ABC (AA), DC/BC = BD/AB = BC/AC = a/b ⟹ DC = a²/b, BD = ac/b
4STEP 4

AD를 두 가지 방법으로 재기

두 표현을 맞대면 b제곱은 a 곱하기 a 더하기 c입니다.

b - a²/b = ac/b ⟹ b² - a² = ac ⟹ b² = a(a+c)
5STEP 5

바꿔치기가 양방향인지 확인하기

역방향도 성립해 조건이 완전히 같습니다.

DC/BC = a/b = BC/AC ⟹ △ BDC ∼ △ ABC, AD = (b²-a²)/b = ac/b = BD ⟹ ∠ B = ∠ ABD + ∠ DBC = 2∠ A
6STEP 6

허용되는 정수를 정확히 읽어 내기

b가 a와 2a 사이여야 합니다.

c = b²/a - a, a ∣ b², 2a²+ab-b² = (2a-b)(a+b) > 0 ⇔ b < 2a, a < b < 2a
7STEP 7

둘레를 두 값 사이에 가두기

둘레가 2b와 3b 사이임을 씁니다.

P = b + b²/a, 2b < P < 3b, P ≤ 14 ⟹ b ≤ 6
8STEP 8

허용된 값을 모두 확인하고 끝내기

4-6-5 삼각형이 둘레 15를 냅니다.

b=6, a=4: c = 6²/4 - 4 = 5, (a,b,c) = (4,6,5), P = 4+6+5 = 15
정답
15
찾아낸 답은 직접 검산해도 살아남는다. (a,b,c) = (4,6,5)에서 관계식은 b² = 36이고 a(a+c) = 4 · 9 = 36이므로 정확히 성립하며, 4 + 5 = 9 > 6이므로 납작하지 않은 진짜 삼각형이다. 각도 맞는다. ∠ A의 코사인은 (36+25-16)/(2 · 6 · 5) = 3/4이고 ∠ B의 코사인은 (16+25-36)/(2 · 4 · 5) = 1/8인데, 2(3/4)² - 1 = 1/8은 바로 배각 공식이 말하는 값이므로 ∠ B = 2∠ A가 오차 없이 성립한다. 수치로는 ∠ A ≈ 41.41^°, ∠ B ≈ 82.82^°이다. 둘레가 40 미만인 정수 삼각형을 모두 훑으면 (4,6,5), (9,12,7), (8,12,10) 세 개만 나오고 둘레는 각각 15, 28, 30이다. 이런 삼각형은 드물고 그중 15가 가장 작다. 선택지 13과 14가 불가능한 이유는 P > 2b라는 한계가 b ≤ 6을 강제하는데, 그 짧은 목록을 빠짐없이 확인했기 때문이다.
💡핵심 정리

한 각이 다른 각의 두 배라면 큰 각을 반으로 잘라 보라. 그때 생기는 작은 각의 복사본이 각에 대한 사실을 변의 길이에 대한 평범한 등식으로 바꿔 준다.

  • 마주 보는 각으로 변에 이름 붙이기
  • 각 B를 잘라 A의 복사본 만들기
  • 안쪽에 숨은 축소판 찾기
  • AD를 두 가지 방법으로 재기
  • 바꿔치기가 양방향인지 확인하기
  • 허용되는 정수를 정확히 읽어 내기
  • 둘레를 2b와 3b 사이에 가두기
  • 허용된 b를 모두 확인하고 끝내기